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"中国芯"应从嵌入式微处理器IP核开始
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Embedded MPU IP Core Should be Developed in China
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■北京大学 于敦山
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微处理器设计是集成电路设计中最复杂，也最具有挑战性的工作。自七十年代Intel公司推出四位机4004以来，微处理器设计得到蓬勃发展。近年来，国外在微处理器设计上连续突破，推出一系列8位、16位、32位甚至64位微处理器。这些微处理器的推出使人们对微处理器的设计投入更多的关注。我国在微处理器设计上远远落后于发达国家，国内应该考虑如何开展微处理器的设计，发展自己的核心技术。
在国内人才、技术及资金比较缺乏情况下，发?quot;中国芯"应优先发展嵌入式微处理器。开展市场需要的嵌入式微处理器设计技术及优化的IP核设计技术研究是当务之急。
微处理器的分类
微处理器从应用目标上可分为通用微处理器和嵌入式微处理器。一般来说，通用微处理器，以提高性能为第一目标，而嵌入式微处理器更强调性能价格比及低功耗等目标。随着集成技术的发展，这三者之间的差距逐渐变小。除功耗不断降低之外，嵌入式微处理器在性能上大为提高，时钟频率也达到600MHz以上。
从存储器组织上，微处理器可分为Von-Neumann结构和Harvard结构。Von-Neumann结构有单一的数据总线用于指令和数据的存取；Harvard结构有分开的指令和数据总线及分开的指令和数据地址空间。对于嵌入式微处理器，为了降低成本，往往采用准Harvard结构，即有分开的指令和数据空间但指令和数据总线是统一的。
从指令组织上微处理器可分为CISC和RISC结构。现在大部分微处理器采用CISC结构。在微处理器设计上工业界RISC的一些倾向也影响到CISC微处理器的设计。采用RISC结构可通过实现较少的指令得到一个简洁的设计，减小芯片的面积及功耗。现在也有人称嵌入式微处理器为SISC（Specific
Instruction Set Computer），即指令集设计具有很强的针对性，这样可以节省芯片面积以增加更多的功能，同时保持微控制器的经济性。
从处理数据的位数上分为4位机、8位机、16位机、32位机和64位机。如今4位机的市场呈下降的趋势，32位机的市场正逐步的成长，但8位机占领了微处理器市场份额的70%以上，并将继续呈现增长趋势。16位机的应用较8位机和32位为少。
发展嵌入式微处理器
经过"九五"及863计划，国内8位微处理器的开发已取得了很好的成绩，国内有多家单位开发出了MCS-51、6502、PIC16XX以68HCXX系列单片机（MCU）。32位机的研发也开展得如火如荼，如北京大学计算机系的JBcore32，中芯微系统工程公司的方舟一号，中科院计算机所的Godson微处理器，西安微电子技术研究所的LSRISC定/浮点微处理器。这些微处理器可以证明中国的IC设计工程师已经具有设计较高性能微处理器的能力。但我们也应该看到，这些微处理器离市场还有一定的距离。
现在国内32位微处理器的设计有两种方式。一种是与已有的微处理器兼容。兼容的好处是显而易见的。一是应用工程师对这种体系结构有较多的了解，便于推广应用。二是系统开发资源丰富。微处理器的设计是一个系统工程，不但芯片要提供较好的性能，在软件上应提供完善的开发平台，包括操作系统、程序编译与调试工具及仿真器。开发兼容微处理器可以很好地利用已有的资源。三是有较多的应用软件。兼容的微处理器在设计完成后可以很自然的利用这些软件资源，降低微处理器的推广难度。设计兼容的微处理器不利之处在于不具有完全自主的知识产权。在日益强调知识产权的今天，特别是在中国加入WTO之后，在使用别人已有的软件与体系结构时要妥善地解决可能存在的知识产权方面的问题。
微处理器设计的另一种方式就是设计具有完全自主知识产权的微处理器，即从体系结构开始设计微处理器。这种设计方式不存在知识产权的纠纷，但具有更大的设计难度。首先要保证所设计的微处理器在指令集上是完备的，不但要完成微处理器芯片的设计，在软件上至少要自己开发汇编器及连接工具以及汇编调试工具。如果应用目标为嵌入式应用，由于应用目标相对较为简单一些，软件的开发难度也相对比较小。西安微电子技术研究所沈绪榜院士及北京大学微电子技术研究所都在从事这类微处理器的研究工作。
这两种方式设计的国产微处理器都处在初级研发阶段，还没有形成产业及市场赢利能力，因此现在下结论说采用哪种方式设计微处理器比较好还为时尚早。但有一点可以肯定的是，无论采用哪种方式开发高性能微处理器都是非常困难的。高性能芯片的设计需要人才与经验长时间的积累，微处理器的设计也是一样。同Intel公司30余年的积累相比，国内研究单位无论在人才、资金、设计经验都是缺乏的。在这种情况下，发展"中国芯"应该先从国内需求量最大，性能要求不是很高的嵌入式微处理器开始，为以后开发更高性能的微处理器作准备。
开展嵌入式微处理器IP核的开发
现在芯片的设计规模越来越大，而设计周期也越来越短。在1998年完成一个6M门规模的设计需要18个月，平均工作量为2000门/小时。到2004年，完成一个100M门的设计只要6个月，平均工作量为100K门/小时。激烈的市场竞争对IC设计工程师的设计效率提出了更高的要求。提高设计效率一方面得益于EDA工具的发展，而更重要的是设计复用，即使用IP核进行设计。要做到100K门/小时的设计效率，离开IP是无论如何也做不到的。
利用IP进行芯片设计是大势所趋。开展IP设计，建立IP的标准及市场运作规范是当务之急。否则，若干年后，国内IC设计业可能会同现在的家电企业一样，关键技术采用别人的IP核实现，而我们只能赚取一点组装费。
现在的芯片设计已进入 SoC设计阶段，而微处理器是SoC的核心。微处理器可以作为一个IP核嵌入到SoC中，而微处理器本身也是IP构成，如ALU、BS、乘法器、中断部件等等。无论什么样的芯片，最终都会进入成本竞争阶段，IP核的面积、功耗都会影响到IP核的价值。因此我们不但要开发微处理器的软核、固核，更重要的是开发硬IP核。我们要从晶体管级开始精雕细刻出功耗低，面积小，性能优的硬IP核，以适应残酷的市场竞争。当然在建立硬IP核之前，IP软核及固核也要相应地建立起来。
综上所述，虽然我们在微处理器设计上已有可喜地突破，但发展中国微处理器还刚刚起步，还有很长的路要走。开展嵌入式微处理器及其IP核的设计是比较现实且有效的方式。只要我们有足够的耐心，"中国芯"将不会遥远。
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